基于有限元分析的公路收費站磚混建筑施工監測方法

李亦達（甘肅省公路建設管理集團有限公司，甘肅慶陽 745700）

公路收費站多采用磚混建筑，這種建筑結構建設成本低，且施工便捷[1]，但是在磚混建筑施工過程中，對于磚混建筑的質量把握極為重要[2]，假使公路收費站磚混建筑施工存在質量問題，那么將很大程度地影響建筑墻體的完整性，降低房屋的抗震性能，影響房屋建筑的耐久性能，對收費站工作人員帶來很大的安全隱患[3]。傳統的公路收費站磚混建筑施工監測方法存有弊端，不能保證施工監測數據的準確性[4]，為此，本文提出基于有限元分析的公路收費站磚混建筑施工監測方法，對公路收費站施工過程進行監督，以保證施工質量的可靠性。

本文從三個方面設計了相應的施工監測方法，通過布置施工光纖傳感器設備與全站儀，在對磚混建筑施工進行測點布置的基礎上，使用ABAQUS軟件建立施工監測的有限元模型，實時分析建筑施工狀態的監測數據。實驗結果表明，本文設計的監測方法能夠獲得精準的監測數據，對于磚混建筑施工監測方面具有顯著的實際意義。

1 基于有限元分析的公路收費站磚混建筑施工監測方法設計

1.1 施工光纖傳感器設備布置

為了對磚混建筑進行施工監測，首先需要現場布置檢測設備，確定磚混建筑施工監測點。在布置監測設備前，本文考察施工地的實際地形以及環境條件，并且分析施工階段，布置相應的監測儀器[5]。本文使用的監測儀器為光纖水準儀、位移計傳感器和變阻式傳感器等，同時，使用TPS1201+型全站儀對建筑結構整體進行三維監測。本文使用的光纖類監測儀器以及傳感器，測量精度高，靈敏度強，并且具有良好的穩定性，能實現對公路收費站磚混建筑施工過程中全過程的監測。

本文針對公路收費站施工情況，確定監測點，以便對磚混建筑施工過程進行全面監測。在確定監測點時，需要全面考慮建筑施工過程中磚混結構的最大應力處，以及應力變化幅度大的結構件部位，以布置在結構節點之間的中間部位為宜。測點布置示意圖如圖1所示。

圖1 測點布置俯視示意圖

傳感器是施工檢測的主要信息采集儀器，能夠獲取磚混結構的環境溫度參數以及建筑結構的信息變化參數。本文設計的監測點中，光纖水準儀布置4臺，監測建筑的豎向變化，監測頻率為每天2次；光纖位移計傳感器布置8臺，監測建筑施工的側向變化，頻率為每周2次。

在信號傳輸方面，使用集線器和讀數儀對傳感器感應的信號參數進行讀取傳輸，同時，為保證所得監測數據的及時性，使用計算機網絡連接監測設備，便于實時收集監測數據，能夠處理收集的信息參數，進行存儲、繪制圖表等操作，實現施工過程的自動監測。

在確定好收費站磚混建筑施工監測點之后，使用TZ20H-I型機器對磚混收費站建設過程中的建筑質量進行振動測試，記錄振動前、振動中以及振動后的施工質量參數。

傳感器是施工檢測的主要信息采集儀器，能夠獲取磚混結構的環境溫度參數以及建筑結構的信息變化參數。本文設計的監測點中，光纖水準儀布置4臺，監測建筑的豎向變化，監測頻率為每天2次；光纖位移計傳感器布置8臺，監測建筑施工的側向變化，頻率為每周2次。

在信號傳輸方面，使用集線器和讀數儀對傳感器感應的信號參數進行讀取傳輸，同時，為保證所得監測數據的及時性，使用計算機網絡連接監測設備，便于實時收集監測數據，能夠處理收集的信息參數，進行存儲、繪制圖表等操作，實現施工過程的自動監測。

在確定好收費站磚混建筑施工監測點之后，使用TZ20H-I型機器對磚混收費站建設過程中的建筑質量進行振動測試，記錄振動前、振動中以及振動后的施工質量參數。

1.2 基于ABAQUS的施工監測有限元模型構建

在布置好監測點，并鋪設相關設備之后，就可以對收費站磚混建筑進行施工監測，本文使用有限元分析方法對收費站磚混建筑施工進行分析，建立施工監測的有限元模型。

本文使用ABAQUS軟件對收費站進行施工建模，該軟件能夠實現對磚混結構以及相應的土體結構的模擬。由于磚混建筑的有限元模型較為復雜，因此，本文使用摩爾庫倫計算方法進行優化調整，相應公式表示為：

式中αt表示的是剪切的強度參數；

a表示的是施工材料的粘聚力參數；

β表示的是正應力參數；

χ表示的是建筑材料之間的摩擦角參數。

相應的關系公式表示如下：

式中β1、β3均為剪切面的正應力。

綜合上述3個公式，經過整理可以得出：

在建立的有限元模型中，正應力變化是具有各向同性的，那么相應的屈服函數可以表示為：

式中Qmc表示的是該模型的偏應力系數參數；

d表示的是模型等效應力的參數；

p表示的是模型的等效壓應力參數。

假設Qmc(r,x)是模型屈服面e之內的某一向量參數，可以得出如下公式：

1.3 施工監測數據實時分析

本文在建立好施工監測的有限元模型后，分析光纖監測儀器的監測數據。由于公路收費站周圍車輛流動大，因此極易受到振動損壞，對收費站磚混建筑的結構影響也很嚴重，為此，分析建筑的土質位移情況以及地基沉降問題，判斷收費站磚混建筑的施工安全性。

首先，需要確定磚混建筑施工監測的評價標準，本文以實際施工需要為基礎，確定了幾個監測標準，包括建筑結構的強度、結構剛度、結構穩定平衡度以及施工過程中的設計規范標準等四方面。

在強度要求方面，需要保證在磚混建筑施工過程當中，相應的建筑材料能夠承受適當的應力，包括抗拉強度、屈服強度等，保證施工過程安全。

在剛度要求方面，需要保證磚混建筑在施工過程中保持一定的剛度，在施工完成后整體也仍有著較強的抵抗變形的性能。

在穩定平衡度要求方面，本文對建筑的鋼結構持續監測，避免出現鋼結構受力變形、不能保持平衡的情況，嚴重影響建筑安全。

對于設計規范標準要求方面，本文對收費站磚混建筑施工過程進行監測，保證建筑結構滿足設計要求，嚴格符合建筑施工的驗收規范，保證磚混建筑的施工質量。

在本文設計的施工監測方法中，使用相應的計算方法對收集的信號數據進行處理，便于分析數據結果，本文使用的光纖傳感器監測的是建筑結構的波長變化，相應的處理公式為：

式中δ表示的是光纖的中心波長參數；

c表示的是纖芯的有效折射率參數；

?表示的是布拉格周期，當受到應力時δ的參數都將變化。

我們還需進一步將布拉格波通過計算，轉化為相應的建筑結構應變量，具體的公式表示如下：

式中δω表示的是建筑結構的布拉格波長參數；

δω0表示的是光纖傳感器不受束縛時，所監測到的布拉格波長參數；

ΔR表示的是溫度的變化量參數，單位為℃。

對于建筑結構的剛體應力計算，本文使用振動監測測得剛體的振動頻率參數，使用相應的計算方法，將其轉化為剛體的張力參數，具體關系公式如下所示：

式中H-表示的是剛體的振動頻率參數；

T-表示的是剛體張力參數；

M-表示的是剛體單位長度下的相應質量參數；

N-表示的是剛體的長度參數。

通過上述計算方法，求出磚混建筑施工過程中建筑剛體的應力變化，從而分析出剛體的張力變化，分析出建筑結構的剛度。

2 實驗論證分析

為驗證本文設計的基于有限元分析的監測方法的有效性，進行實驗論證，為保證本實驗的嚴謹性，本文分別使用傳統方法與本文設計方法進行實驗，具體的實驗準備與實驗結果如下。

2.1 實驗準備

本實驗以某公路收費站工程K作為實驗對象，該收費站設計為海鷗狀造型，收費亭設計在海鷗左、右翼之下，共設6條入車道，12條出車道。在收費站中心設置管理樓，內部布置監控室與指揮室，同時，還有員工休息室以及其他設施建設。該收費站整體采用鋼結構作為建筑框架結構，在此基礎上進行磚混結構工程施工。總建筑長186m，高約12.3m，建筑面積約為1900m2。

在該磚混建筑工程施工過程中，本文布設1臺TPS1201全站儀，全站儀的位置選擇在視野開闊區，距收費站約20m處，放置全站儀進行自動跟蹤，避免樹木遮擋全站儀視野。同時，布設4個位移監測控制點，保證在施工過程中對收費站磚混結構的建筑變形監測的全面性。確定好監測點以及布設監測儀器后，本文使用計算機進行連接，設置監測頻率為每天2次，共計監測30d。分別使用傳統電阻應變監測方法與本文設計的基于有限元分析的監測方法，對監測數據進行分析，記錄并整理實驗數據。

2.2 實驗結果

通過上述實驗，本文布設的監測點測得了該收費站立柱的水平位移數據，計算機記錄了監測點位的坐標數據，具體情況如表1所示。

表1 監測立柱的水平位移坐標數據表

從表1可以看出，在該收費站磚混建筑施工過程中，以立柱1、2為例，立柱發生了應力位移。其中，在監測的30d內，立柱1在X方向上水平位移了0.140mm，在Y方向上水平位移了-0.243mm；立柱2的應力位移量，X方向為0.035mm，Y方向位移了-0.143mm。因此，本文設計方法進行磚混建筑結構應力變化監測，所測得的監測數據精準，數據分析及時。

為進一步進行對比實驗，以立柱1為對象，本文分別記錄了兩種方法下的立柱位移監測變化參數，對比有限元分析計算的預測值，并制成了位移變化曲線圖，具體結果如圖2所示。

分析圖2可以看出，與計算機預測建模的應變位移量相比，本文設計的方法明顯在預測精度上更具優勢。從監測值走向與預測值走向來看，本文設計方法檢測到的柱體結構位移量基本圍繞預測值變化，誤差僅在很小范圍內，測量參數更加精準。而傳統方法測量的數值不僅大大低于預測的位移量，其整體測量走勢也有很大區別，差值將近0.01mm。

圖2 位移變化曲線圖

上述實驗結果表明，本文設計的基于有限元分析的施工監測方法，所獲得的監測數據更加精準，能夠保證數據分析的及時性與針對性，在保證磚混建筑施工質量方面具有明顯的實際意義。

3 結語

本文在有限元分析的基礎上，設計了相應的磚混建筑施工監測方法，實驗結果表明，本文設計的監測方法能夠獲得精準的監測數據，對于磚混建筑施工監測方面具有明顯的實際意義。